聊一聊，北斗衛(wèi)星星載原子鐘的作用是什么？

  小伙伴們，又到了漲知識(shí)的時(shí)候啦，這次，我們來(lái)簡(jiǎn)單聊一下原子鐘到底在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)里面的作用是什么？來(lái)來(lái)來(lái)，端好凳子，我們開講啦！

  星載原子鐘是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的最關(guān)鍵載荷之一，是時(shí)頻分系統(tǒng)的心臟，可為衛(wèi)星系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時(shí)間頻率型號(hào)，其性能決定了導(dǎo)航系統(tǒng)定位、測(cè)速及授時(shí)的精度。理論上如果鐘的精度提高，導(dǎo)航精度也會(huì)改善。

北斗系統(tǒng)采用的星載原子鐘（氫原子鐘）                  

  現(xiàn)在原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬(wàn)年誤差不超過1秒。這為天文、航海、宇宙航行、衛(wèi)星導(dǎo)航等提供了強(qiáng)有力的保障。美中不足的是，原子都有熱運(yùn)動(dòng)，常溫下大概沒秒幾百米。這使得原子和電磁波的作用時(shí)間太短，導(dǎo)致得到的與阿奴自鐘精度不高，也就到納秒量級(jí)，就是目前GPS和北斗衛(wèi)星上正常使用的原子鐘。

  衛(wèi)星導(dǎo)航都依賴原子鐘，因?yàn)橹挥性隅娔軌蛟谧銐蛐〉捏w積內(nèi)實(shí)現(xiàn)由于1納秒的精度。但是現(xiàn)在的導(dǎo)航衛(wèi)星，無(wú)論是GPS還是北斗，都使用普通原子鐘，也可以成為熱原子鐘（相對(duì)冷原子鐘而言）。其基本原理是利用特殊原子（如氫原子、銣原子、銫原子）的摸個(gè)特定躍遷頻率，這個(gè)頻率有極高的穩(wěn)定性，精度可以到皮秒甚至飛秒，但是原子的這個(gè)躍遷頻率不能直接使用，需要通過電磁波與原子相互作用，間接地用電磁波吧這個(gè)頻率導(dǎo)出來(lái)，這是原子鐘的基本原理。

  無(wú)線電導(dǎo)航的基本原理是測(cè)量信號(hào)傳播的時(shí)間延遲或時(shí)差，間接的實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是無(wú)線電導(dǎo)航的一種，也是精確測(cè)量微博信號(hào)從衛(wèi)星走到你跟前所用的時(shí)間，再乘以光速就可以得到天上的衛(wèi)星和你之間的精確距離。導(dǎo)航衛(wèi)星距離地球2-4萬(wàn)多千米，導(dǎo)航信號(hào)達(dá)到地面時(shí)易經(jīng)理非常微，衛(wèi)星導(dǎo)航采用偽隨機(jī)編碼技術(shù)生成測(cè)距信號(hào)，用戶通過碼相關(guān)技術(shù)，提取出測(cè)距信號(hào)從衛(wèi)星到用戶傳播的時(shí)間延遲，從而形成偽距測(cè)量值，若他同時(shí)測(cè)量4顆及以上衛(wèi)星，就可進(jìn)行導(dǎo)航定位。

  對(duì)于單星的時(shí)差測(cè)量，1微秒的測(cè)量誤差，則距離誤差約為0.3米。若衛(wèi)星鐘之間的偏差位置，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。因此，不同衛(wèi)星之間也需要時(shí)差測(cè)量或時(shí)間同步，以確保整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在同一時(shí)間基準(zhǔn)下協(xié)調(diào)工作。為確保不間斷的連續(xù)服務(wù)能力和星載鐘在亞微秒精度小的預(yù)報(bào)能力，必須選用高精度的原子鐘作為星載電子設(shè)備的基準(zhǔn)信號(hào)源。從某種意義來(lái)講，星載原子鐘的性能，是導(dǎo)航服務(wù)性能的重要決定因素之一，也是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)初期建設(shè)的瓶頸問題。

  衛(wèi)星導(dǎo)航對(duì)原子鐘和時(shí)頻技術(shù)來(lái)講有巨大的牽引、驅(qū)動(dòng)作用。導(dǎo)航系統(tǒng)既需要準(zhǔn)確度高的基準(zhǔn)原子鐘，也需要穩(wěn)定度非常高的守時(shí)原子鐘，同事還需要可靠性高，小型化、低功耗的星載原子鐘，針對(duì)不同的應(yīng)用，鐘的性能指標(biāo)和使用方法也不盡相同，因此原子鐘和時(shí)頻技術(shù)是整個(gè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的賀信組成部分。

   銣原子鐘和銫原子鐘各有特色，銣原子鐘造價(jià)比較低，但精度相對(duì)較差；銫原子鐘長(zhǎng)時(shí)間性能好，比較適合用于地面時(shí)間基準(zhǔn)；氫原子鐘的短中期性能比前兩個(gè)都好，適合用于導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)間維持。

當(dāng)前全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

  當(dāng)前全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，美國(guó)GPS導(dǎo)航衛(wèi)星采用了銫原子鐘和銣原子鐘結(jié)合的方式，歐盟Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星采用了銣原子鐘和被動(dòng)型氫原子鐘結(jié)合的方式，俄羅斯GLONASS-K三代導(dǎo)航衛(wèi)星也將采用銣原子鐘和被動(dòng)型氫原子鐘結(jié)合的方式，我國(guó)新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星正在開展銣原子鐘和被動(dòng)型原子鐘結(jié)合的方式的研究。

  星載原子鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星的主要***，對(duì)星載原子鐘不僅有精度要求，還有極高的可靠性和壽命要求。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)星載原子鐘的研制備受海內(nèi)外業(yè)界人士關(guān)注。目前發(fā)射的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星載原子鐘已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。在軌測(cè)試結(jié)果表明，進(jìn)口鐘和國(guó)產(chǎn)鐘指標(biāo)相當(dāng)。但從世界范圍來(lái)看，星載原子鐘的指標(biāo)一直在改善，所以星載原子鐘的研制是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。